JP4761030B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノズルプレートに穿設されたノズルから液滴を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、ノズルと連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板上に設けられた圧電素子の変位によりノズルからインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

従来から、圧電素子、あるいは発熱素子等によって液体に圧力を付与することで、ノズルから液滴を吐出する液体噴射ヘッドが知られており、その代表例としては、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。また、このようなインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、インクに圧力を付与するための圧力変換素子等を有するインク室本体上に、インク滴が吐出されるノズルを有するノズルプレートが接合され、このノズルプレート上に、例えば、接着剤等からなる接着層を介して接合部材である保護プレートが接合された構造がある（例えば、特許文献１参照）。

ここで、このような構造のインクジェット式記録ヘッドでは、各ノズルと紙などの記録媒体との距離が異なると、各ノズルから吐出されるインク滴の飛行距離が変わり、インク滴が記録媒体の所定位置に着弾せず、印刷品位の低下の原因となってしまうという問題がある。

上記特許文献１に記載のインクジェット式記録ヘッドのように、インク室本体及びノズルプレート上に、例えば、接着剤からなる接着層を介して保護プレートを接合した場合、ノズルプレートと保護プレートとを高精度に位置決めすることが難しく、結果として各ノズルと記録媒体との距離が均一にならずに上述したような印刷品質の低下を招いてしまうという問題がある。また、このように接着剤からなる接着層を介してノズルプレート及びインク室本体と保護プレートとを接着すると、接着時に未硬化の接着剤が意図しない場所に流れ出してしまい、様々な弊害が生じる虞もある。なお、接着層としてフィルム接着剤を用いることもあるが、このようなフィルム接着剤を用いるとノズルプレートと保護プレートとの間隔は比較的均一にすることはできるかもしれないが、何れにしても高精度な位置決めは難しいため印刷品質の低下を招いてしまう。また、フィルム接着剤を用いた場合、コストが高くなってしまうという問題もある。

さらに、このようなインクジェット式記録ヘッドでは、記録紙などの記録媒体や外部からの静電気によってインクジェット式記録ヘッドを構成する金属部品が帯電し、インクに圧力を付与するための圧力変換素子等や、この圧力変換素子等を駆動するためのドライバＩＣ等が破壊されてしまう虞がある。ノズルプレートが金属材料等で形成されている場合は、特にこのような問題が生じやすい。例えば、特許文献１に記載のインクジェット式記録ヘッドでは、保護プレートとグランドラインとの導通を取り、ノズルプレートの帯電を抑えている。このような構造によってもノズルプレートの帯電をある程度防止することはできるが、ノズルプレートが金属材料等の導電材料で形成されている場合には、保護プレートのみをグランドラインに接続しても、ノズルプレートの除伝を十分に行うことができない虞がある。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

特開平５−２０１０００号公報（第１図、第３〜第４頁等）

本発明はこのような事情に鑑み、ノズルプレートと接合部材とが高精度に位置決め固定され、且つノズルプレートの除電を良好に行うことができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液滴を噴射するノズルが形成されたノズルプレートを有する液体噴射ヘッド本体と、前記ノズルが形成された領域に開口を有し前記液体噴射ヘッド本体の前記ノズルプレート側に接着された接合部材とを有し、前記液体噴射ヘッド本体は複数並べられ、前記液体噴射ヘッド本体のそれぞれは、前記接合部材の前記開口の周縁において絶縁接着層により前記接合部材と接合されており、前記液体噴射ヘッド本体と前記接合部材とは、前記液体噴射ヘッド本体の二つが隣り合う辺の端部において、直径の異なる複数種の絶縁性の粒状固体が混練された導電性接着剤により接着されており、さらに前記ノズルプレートが導電性であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、各ノズルと記録媒体との距離が略均一になり印刷品質が向上すると共に、ノズルプレートと接合部材とが電気的に確実に接続されるため、ノズルプレートを比較的容易且つ確実に除電することができる。また、ノズルプレートと接合部材とが、比較的広い領域に形成された絶縁接着層によって高精度に位置決めされた状態で固定され、且つ導電接着層によって電気的に確実に接続される。また、導電接着層がインクと接触することがないため、電気分解が発生することもない。

本発明の第２の態様は、第１の態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第２の態様では、液滴を良好に吐出することができ且つ静電気による不良の発生を防止し、信頼性及び耐久性を向上した液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、インクジェット式記録ヘッドの組立斜視図であり、図３は、その要部断面図である。

図示するように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１（以下、記録ヘッドという）は、カートリッジケース１００と、インクジェット式記録ヘッド本体２００（以下、記録ヘッド本体という）と、固定板３００と、カバーヘッド４００とで構成されている。カートリッジケース１００は、インク供給手段であるインクカートリッジ（図示なし）がそれぞれ装着されるカートリッジ装着部１０１を有する。また、カートリッジケース１００の底面には、一端が各カートリッジ装着部１０１に開口し、他端が記録ヘッド本体２００側に開口する複数のインク連通路１０２が設けられている。さらに、カートリッジ装着部１０１のインク連通路１０２の開口部分には、インクカートリッジに挿入されるインク供給針１０３が固定されている。

このようなカートリッジケース１００の底面側には、所定間隔で位置決めされた複数、本実施形態では４つの記録ヘッド本体２００（４つ（複数）の記録ヘッド本体２００で「記録ヘッドユニット」と適宜記載する）が固定されている。これら記録ヘッド本体２００は、本実施形態では、各色のインクに対応して設けられ、固定板３００に位置決め接着された状態でカートリッジケース１００の底面側に設けられている。

ここで、記録ヘッド本体２００の構成について説明する。図４は、記録ヘッド本体の分解斜視図であり、図５は、記録ヘッド本体の断面図である。図４及び図５に示すように、記録ヘッド本体２００を構成する流路形成基板２０１は、本実施形態では、シリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる弾性膜２０２が形成されている。この流路形成基板２０１には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の圧力発生室２０３が形成されている。例えば、本実施形態では、流路形成基板２０１に、圧力発生室２０３が幅方向に並設された列が２列形成されている。また、各列の圧力発生室２０３の長手方向外側には、後述する保護基板に設けられるリザーバ部と連通し、各圧力発生室２０３の共通のインク室となるリザーバ２０４を構成する連通部２０５が形成されている。また、連通部２０５は、インク供給路２０６を介して各圧力発生室２０３の長手方向一端部とそれぞれ連通されている。

また、流路形成基板２０１の開口面側には、各圧力発生室２０３のインク供給路２０６とは反対側で連通するノズル２０７が穿設されたノズルプレート２０８が接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。このノズルプレート２０８は、例えば、金属材料等の導電材料によって形成されており、本実施形態では、ノズルプレート２０８の材料として、ステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いている。

一方、流路形成基板２０１の表面に形成された弾性膜２０２上には、例えば、白金、イリジウム等の金属材料からなる下電極膜２０９と、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層２１０と、例えば、イリジウム等の金属材料からなる上電極膜２１１とからなる圧電素子２１２が形成されている。

さらに、このような圧電素子２１２が形成された流路形成基板２０１上には、圧電素子２１２に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部２１３を有する保護基板２１４が接合されている。また、この保護基板２１４には、上述したように流路形成基板２０１の連通部２０５と連通されて各圧力発生室２０３の共通のインク室となるリザーバ２０４を構成するリザーバ部２１５が形成されている。

また、保護基板２１４上には、各圧電素子２１２を駆動するための駆動ＩＣ２１６が実装されている。この駆動ＩＣ２１６の各端子は、図示しないが、ボンディングワイヤ等を介して各圧電素子２１２の個別電極から引き出されたリード電極と接続されている。そして、駆動ＩＣ２１６の各端子には、図１に示すような、フレキシブルプリントケーブル（ＦＰＣ）等の外部配線２１７が接続され、この外部配線２１７を介して印刷信号等の各種信号が供給されるようになっている。

さらに、保護基板２１４上のリザーバ２０４に対応する領域には、コンプライアンス基板２１８が接合されている。このコンプライアンス基板２１８には、リザーバ２０４に対応する領域に、他の領域よりも厚さが薄く可撓部２１９が設けられており、リザーバ２０４内の圧力変化が、この可撓部２１９が変形することで吸収されるようになっている。また、コンプライアンス基板２１８には、リザーバ２０４に連通するインク導入口２２０が形成されている。

さらに、コンプライアンス基板２１８上には、このインク導入口２２０に連通すると共にカートリッジケース１００のインク連通路１０２に連通するインク供給連通路２２１が設けられたヘッドケース２２２が接合されている。そして、これらインク連通路１０２、インク供給連通路２２１及びインク導入口２２０を介してインクがリザーバ２０４内に供給されるようになっている。またこのヘッドケース２２２には、駆動ＩＣ２１６に対向する領域に、厚さ方向に貫通する駆動ＩＣ保持部２２３が設けられており、図示しないが、この駆動ＩＣ保持部２２３内には各駆動ＩＣ２１６を覆うようにポッティング剤が充填される。

なお、このような記録ヘッド本体２００は、リザーバ２０４からノズル２０７に至るまで内部をインクで満たした後、駆動ＩＣ２１６からの記録信号に従い、圧力発生室２０３に対応するそれぞれの圧電素子２１２に電圧を印加し、弾性膜２０２及び圧電素子２１２をたわみ変形させて各圧力発生室２０３内のインクに圧力を付与することにより、ノズル２０７からインク滴を吐出させる。

そして、このような記録ヘッド本体２００は、図６に示すように、所定間隔で高精度に位置決めされた状態で固定板３００に接着固定されている。この固定板３００には、ノズル２０７を露出する露出開口部３０１が、例えば、各記録ヘッド本体２００に対応して設けられており、各記録ヘッド本体２００を構成するノズルプレート２０８の周縁部に接着層３５０を介して接合されている。また、固定板３００は、ノズルプレート２０８と同様に、例えば、金属材料等の導電材料からなる。なお、本実施形態では、固定板３００の材料として、ノズルプレート２０８と同一の材料であるステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いている。すなわち、ノズルプレート２０８と固定板３００とは、何れも導電性を有している。また、固定板３００の形成方法は、特に限定されないが、プレス加工によって形成すればよい。プレス加工で固定板３００を形成した場合、露出開口部３０１の周囲にバリが生じるが、後述するようにこのバリは除去しなくてもよいため、製造効率が向上する。

また、各記録ヘッド本体２００のノズルプレート２０８と固定板３００とを接着する接着層３５０は、本実施形態では、樹脂材料等の主材料に絶縁性を有する材料からなる粒状固体３５１が混練された絶縁接着層３５２と、樹脂材料等の主材料に金属微粉末が混練されたペースト接着剤からなる導電接着層３５３とで構成されている。そして、各ノズルプレート２０８と固定板３００とはこの導電接着層３５３を介して導通が図られている。すなわち、各ノズルプレート２０８と固定板３００とは、絶縁接着層３５２の粒状固体３５１に当接して所定位置に位置決めされた状態で固定され、且つ導電接着層３５３によって電気的に接続されている。

ここで、図７に示すように、接着層３５０は、本実施形態では、固定板３００の周縁部の、隣接する記録ヘッド本体２００間、すなわち、露出開口部３０１間に対応する領域に設けられる導電接着層３５３と、この導電接着層３５３以外の領域、具体的には、固定板３００の各開口３０１の周縁部に設けられた絶縁接着層３５２とで構成されている。

この絶縁接着層３５２に含まれる粒状固体３５１の材料は、ノズルプレート２０８と固定板３００との接合時に潰されない程度の剛性を有するものであればよく、例えば、本実施形態では、二酸化シリコン（シリカ）を用いている。また、粒状固体３５１の形状は、特に限定されないが、球状であることが好ましい。また、この絶縁接着層３５２には、直径の異なる複数種類の粒状固体３５１が含有されていることが好ましく、本実施形態では、直径が最大で５μｍ程度の複数種類の粒状固体３５１が含有されている。

一方、導電接着層３５３に含まれる金属微粉末の種類（材料）は、特に限定されないが、比較的導電性の高い金属であることが好ましく、例えば、本実施形態では、銀（Ａｇ）を用いている。

また、絶縁接着層３５２及び導電接着層３５３の主材料は、特に限定されないが、何れもインクに対する耐性（耐インク性）を有するものであることが好ましく、例えば、エポキシ樹脂が好適に用いられる。また、導電接着層３５３の抵抗値は１０Ω以下、特に２Ω以下となっていることが好ましい。なお、導電接着層３５３の抵抗値は、金属微粉末の含有量によって調整すればよい。

このような構成では、絶縁接着層３５２によってノズルプレート２０８と固定板３００とを高精度に位置決めした状態で固定することができ、且つ導電接着層３５３によって、これらノズルプレート２０８と固定板３００とを電気的に良好に接続することができる。そして、固定板３００は、図示しないグランドラインと電気的に接続されているため、例えば、紙送りによる摩擦等によってもノズルプレート２０８が帯電するのを確実に防止することができる。したがって、ノズルプレート２０８の帯電に起因して、すなわち、ノズルプレート２０８に蓄積された静電気によって、圧電素子２１２等が破壊されてしまうのを確実に防止することができる。また本実施形態では、ノズル２０７が露出される固定板３００の露出開口部３０１の周囲には、絶縁接着層３５２が設けられているため、導電接着層３５３がインクに接触することがなく、導電接着層３５３に含まれる金属が電気分解することもない。

また、ノズルプレート２０８と固定板３００との間隔は、実質的に絶縁接着層３５２に含まれる粒状固体３５１の直径によって決まるが、両者を接着する際の加圧力を変化させることで、各記録ヘッド本体２００を構成する各部材が有する僅かな厚みの違いなどによってノズル２０７と紙面への距離が異なっていることがあったとしても、これらの間隔、すなわち絶縁接着層３５２の厚さを調整することができる。特に、本実施形態では、絶縁接着層３５２に直径の異なる複数種類の粒状固体３５１を含有させているため、ノズルプレート２０８と固定板３００との間隔をより容易に調整することができる。また、ノズルプレート２０８と固定板３００との面方向での位置合わせも容易に行うことができる。

これにより、各記録ヘッド本体２００のノズルプレート２０８と固定板３００とを高精度に位置決めして、各ノズル２０７と記録媒体との距離を略均一とすることができる。すなわち、記録ヘッドユニットとして各ノズル２０７から記録媒体までのインク滴の飛行距離を略一定とすることができる。したがって、印刷品質が大幅に向上する。

さらに、絶縁接着層３５２が粒状固体３５１を含有することによって、接着層３５０は少なくとも粒状固体３５１の最大粒径以上の厚さで形成されるため、接着層３５０（基材である樹脂材料）の流れ出し量が大幅に抑えられるため、意図しない場所に接着層３５０が付着することによる弊害の発生を防止することができる。

また、このようにノズルプレート２０８と固定板３００との間には所定の間隔が確保されるため、固定板３００をプレス加工によって露出開口部３０１の周囲にバリが生じていても、固定板３００のバリが生じている面にノズルプレート２０８を接合することで、両者を良好に接合することができる。

なお、本実施形態では、絶縁接着層３５２と導電接着層３５３とからなる接着層３５０によってノズルプレート２０８と固定板３００とを接合するようにしたが、これに限定されず、例えば、銀（Ａｇ）等の金属微粉末を含有するペースト接着剤で形成される導電接着層のみからなる接着層によって、これらノズルプレート２０８と固定板３００とを接合するようにしてもよい。ただし、この場合には、導電接着層となるペースト接着剤に、上述したような粒状固体が混練する。

なお、このように固定板３００に固定された複数の記録ヘッド本体２００の周囲には、図１及び図２に示すように、これら複数の記録ヘッド本体２００をインク等から保護するためのカバーヘッド４００が設けられている。このカバーヘッド４００は、固定板３００の露出開口部３０１に対応して開口部４０１を有するが、それ以外の領域では実質的に記録ヘッド本体２００を覆って設けられている。

カバーヘッド２４０の材料は、特に限定されず、ノズルプレート２０８等と同様に、例えば、金属材料等の導電性材料を用いてもよい。導電性材料を用いてカバーヘッド４００を形成した場合、固定板３００とカバーヘッド４００とを電気的に接続し、カバーヘッド４００にグランドラインを接続するようにしてもよい。また、このような構成とする場合には、ノズルプレート２０８と固定板３００との接合と同様に、接着層によってカバーヘッド４００と固定板３００とを接合するのが望ましい。

このようなカバーヘッド４００は、本実施形態では、記録ヘッド本体２００が固定されたカートリッジケース１００に固定されている。詳しくは、図２及び図３に示すように、カバーヘッド４００は、記録ヘッド本体２００側の端部にフランジ部４０２を有し、このフランジ部４０２には、当該フランジ部４０２を貫通する固定孔４０３が設けられている。一方、カートリッジケース１００の記録ヘッド本体２００側の面には、カバーヘッド４００の固定孔４０３に対応する位置に突起部１０４が設けられている。そして、このカートリッジケース１００の突起部１０４をカバーヘッド４００の固定孔４０３に挿入し、この突起部１０４の先端を加熱してかしめることによって、カバーヘッド４００をカートリッジケース１００に固定している。

なお、このような構成の記録ヘッド１は、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、インクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図８に示すように、記録ヘッド本体を有する記録ヘッド１Ａ及び１Ｂには、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられてキャリッジ３に搭載される。記録ヘッド１Ａ，１Ｂが搭載されたキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッド１が搭載されたキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、各記録ヘッド本体２００のノズルプレート２０８に接合される接合部材として、固定板３００を例示したが、接合部材はこれに限定されず、例えば、カバーヘッド４００が接合部材として機能するようにしてもよい。すなわち、固定板３００を設けずに、各記録ヘッド本体２００を導電材料からなるカバーヘッド４００に接着層３５０を介して接合するようにしてもよい。

また、上述の本実施形態では、絶縁接着層３５２に、直径の異なる複数種類の粒状固体３５１を意図的に含有させるようにしたが、勿論、この絶縁接着層３５２には、略均一な直径の粒状固体を含有させるようにしてもよい。このような絶縁接着層であっても、ノズルプレート２０８と固定板３００（接合部材）とを高精度に位置決めして良好に接合することができる。

なお、上述の実施形態では、インク滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドを例示して本発明を説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般を対象としたものである。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等を挙げることができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの組立斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの要部断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッド本体の要部の分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッド本体の断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの要部を示す断面図である。 接着層の形成領域を示す平面図である。 実施形態１に係る記録装置の概略図である。

符号の説明

１ 記録ヘッド、 １００ カートリッジケース、 ２００ 記録ヘッド本体、 ３００ 固定板、 ３５０ 接着層、 ３５１ 粒状固体、 ３５２ 絶縁接着層、 ３５３ 導電接着層、 ４００ カバーヘッド

Claims (2)

1. 液滴を噴射するノズルが形成されたノズルプレートを有する液体噴射ヘッド本体と、前記ノズルが形成された領域に開口を有し前記液体噴射ヘッド本体の前記ノズルプレート側に接着された接合部材とを有し、
   前記液体噴射ヘッド本体は複数並べられ、
   前記液体噴射ヘッド本体のそれぞれは、前記接合部材の前記開口の周縁において絶縁接着層により前記接合部材と接合されており、
   前記液体噴射ヘッド本体と前記接合部材とは、前記液体噴射ヘッド本体の二つが隣り合う辺の端部において、直径の異なる複数種の絶縁性の粒状固体が混練された導電性接着剤により接着されており、
   さらに前記ノズルプレートが導電性であることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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